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Die Erfindung betrifft optische Fasereinheiten, die optische Kabel
hoher Dichte in Kommunikationsnetzwerken bilden, und im besonderen
die Struktur einer optischen Fasereinheit umfassend einen Kernkörper
mit einem verdrillten Zugbelastungsteil, das sich entlang seiner
zentralen Achse erstreckt, und spiralförmigen Rillen in seiner
äußeren Oberfläche; und bandförmige optische Fasern, die in den
spiralförmigen Rillen des Kernkörpers untergebracht sind, in dem
die Restdehnung der optischen Faser, die während der Herstellung
entsteht, mit hoher Genauigkeit kontrolliert werden kann.
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Eine optische Fasereinheit mit einer ähnlichen Konstruktionsweise
ist aus EP-A-0078213 bekannt. Sie umfaßt auch einen länglichen
optischen Kabelkern mit einem verdrillten Zugbelastungsteil, das sich
entlang seiner zentralen Achse erstreckt, mit an der äußeren Oberfläche
des Kernkörpers ausgebildeten spiralförmigen Rillen, wobei die
Verdrillungsrichtung des Zugbelastungsteils entgegengesetzt zur
Hindungsrichtung der spiralförmigen Rillen ist. Dieser Stand der Technik
betrifft jedoch einzelne optische Fasern und anstelle von bandförmigen
optischen Fasern, die in den spiralförmigen Rillen des Kernkörpers
untergebracht sind, was bei der vorliegenden Erfindung der Fall ist,
nimmt jede Rille dieser Vorrichtung eine einzelne optische Faser auf.
Jedoch sind bandförmige optische Fasern in der Technik optischer
Fasereinheiten, wie z. B. nach dem Stand der Technik in AU-B-0554844
offengelegt, bekannt.
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Eine Anzahl von Untersuchungen wurde an der Konstruktion einer
optischen Fasereinheit dieses Typs durchgeführt. Die Struktur einer
optischen Fasereinheit, die zur genauen Kontrolle der Restdehnung, die
in optischen Fasern während der Herstellung der optischen Fasereinheit
entsteht, geeignet ist, wurde jedoch noch nicht entwickelt.
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Bei der Herstellung der oben beschriebenen optischen Fasereinheit
wird während des Einfügens einer Vielzahl von bandförmigen optischen
Faserbaugruppen, die vielfache optische Fasern in Form eines Bandes
umfassen (hierin nachfolgend, wenn anwendbar, als "bandförmige
optische
Fasern" bezeichnet), in spiralförmige Rillen, die in die äußere
Oberfläche des Kernkörpers eingeformt sind, im allgemeinen eine
Zugkraft an den Kernkörper angelegt, um diesen gerade zu halten oder
den Kernkörper stabil an den Einfügungsort zu führen. Wird der
Kernkörper in dieser Weise vorgespannt, entstehen Drehmomente um die
zentrale Achse des Kernkörpers in den verdrillten
Zugbelastungsteilen und in den Rippen zwischen den spiralförmigen Rillen des
Kernkörpers in einer Weise, daß ihre Steigungen erhöht werden. In
der herkömmlichen optischen Fasereinheit wird jedoch keine
Gegenmaßnahme gegen diese Drehmomente getroffen. Die herkömmliche optische
Fasereinheit ist daher der Verdrillung des Kernkörpers durch die
vorerwähnte Zugkraft, die in einer Veränderung der Steigung der
Spiralrillen resultiert, ausgesetzt.
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Das bedeutet, wenn die Steigung p der Spiralrillen auf einen Wert p'
durch die Verdrillung des Kernkörpers verändert wird, daß die Länge
der Spirallinien entsprechend der folgenden Gleichung (1) verändert
wird:
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Wenn die bandförmigen optischen Fasern in die Spiralrillen des
Kernkörpers eingefügt werden, werden im allgemeinen eine
Zuführungszugkraft Ts zur Führung des Kernkörpers und die Zuführungszugkraft Tt
zur Zuführung der bandförmigen optischen Fasern in die Spiralrillen
gemäß dem folgenden Ausdruck (2) bestimmt, so daß, wenn die optische
Fasereinheit von der Zugspannung entlassen wird, die bandförmigen
optischen Fasern eine ausreichend kleine Restlängendehnung aufweisen.
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O < Tt/Et St-Ts/Es Ss < 10&supmin;&sup4; (2)
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worin Es und Ss der gleichwertige Elastizitätsmodul bzw. der
Querschnitt des Kernkörpers und Er und St der gleichwertige
Elastizitätsmodul bzw. der Querschnitt von jeder bandförmigen optischen Faser
ist. Wird jedoch der Kernkörper verdrillt, wenn die bandförmigen
optischen Fasern in die Spiralrillen des Kernkörpers eingefügt werden,
ist die tatsächliche Restdehnung der bandfermigen optischen Fasern
wie folgt:
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ε = Tt/Et St-Ts/Es Ss·εp (3)
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Daraus folgt, daß es schwierig wird, die Restdehnung präzise zu
kontrollieren.
Zusammenfassung der Erfindung
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Die oben beschriebenen Schwierigkeiten, die eine herkömmliche
optische Fasereinheit begleiten, wurden beseitigt durch die Bereitstellung
einer optischen Fasereinheit, die umfaßt: einen länglichen Kernkörper
mit einem verdrillten Zugbelastungsteil, das sich entlang seiner
zentralen Achse erstreckt, und spiralförmigen Rillen in seiner äußeren
Oberfläche; und bandförmige optische Fasereinheiten, die aus einer
Vielzahl von in Form eines Bandes zusammengebauten optischen Fasern
gebildet sind, die in die Spiralrillen eingefügt werden, in denen
erfindungsgemäß die Verdrillungsrichtung des Zugbelastungsteils
entgegengesetzt zur Spiralwindungsrichtung der Spiralrillen ist, dadurch
gekennzeichnet, daß das Zugbelastungsteil und die Spiralrillen so
angeordnet und dimensioniert sind, daß, wenn der Kernkörper gespannt
wird, sich das in dem Zugbelastungsteil entstehende Drehmoment und das
in den Rippen, die zwischen den Spiralrillen ausgebildet sind,
entstehende gegenseitig aufheben. Die Drehganghöhe pc des
Zugbelastungsteils und die Drehganghöhe pp der zwischen den Spiralrillen
ausgebildeten Rippen folgen den folgenden Ausdrücken:
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PR/Pc/aR/ac tanR/tanΦ,
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sinR/sibΦ = nR² aR ER SR/nc² ac Ec Sc
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darin ist Ec der Youngmodul des Zugteils in Längsrichtung, Sc ist
der Querschnitt eines jeden Elements, die das Zugbelastungsteil
bilden, ac und pc sind die Verdrillradien bzw. die Drehganghöhe
des Zugbelastungsteils, nc ist die Anzahl der Elemente, die das
Zugbelastungsteil bilden, ER ist der Youngmodul einer jeden Rippe,
aR ist der Abstand zwischen der zentralen Achse des Kernkörpers
und dem Mittelpunkt einer jeden Rippe, und PR und nR sind die
Spiralganghöhen der Rippen bzw. die Anzahl der Rippen. R und Φ sind die
Steigungswinkel der Elemente des Belastungsteils bzw. der Rippen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung, die die
erfindungsgemäße Struktur eines Kernkörpers in einer optischen Fasereinheit zeigt;
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Fig. 2 ist eine Schnittansicht, die eine erfindungsgemäße Konstruktion
eines optischen Kabels mit der optischen Fasereinheit zeigt.
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Fig. 3 ist eine erklärende Zeichnung, die die Teile des Kernkörpers
in der optischen Fasereinheit erfindungsgemäß zeigt.
Detailbeschreibung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Struktur der optischen Fasereinheit ist so, daß,
wenn der Kernkörper gespannt wird, das in dem Zugbelastungsteil
erzeugte Drehmoment und das in den zwischen den Spiralrillen gebildeten
Rippen erzeugte, entgegengesetzte Richtung zueinander haben und
jeweils die gleiche Größe haben. Folglich heben sich die Drehmomente
gegeneinander auf, und das Drehmoment des gesamten Kernkörpers wird
praktisch zu Null gemacht.
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Bedingungen zur Nullsetzung des Drehmoments des gesamten Kernkörpers
in der optischen Fasereinheit werden nun erfindungsgemäß beschrieben.
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In den zugehörigen Bildern bezeichnet Referenznummer 1 ein
Zugbelastungsteil;
2 bezeichnet ein preßgeformtes Formteil; 3 bezeichnet
Spiralrillen; 4 bezeichnet bandförmige optische Fasern; 5 bezeichnet
eine Ummantelung; 6 bezeichnet zugbelastungsteilbildende Elemente;
7 bezeichnet Rippen; und 8 bezeichnet die Mitte jeder Rippe. In dem
oben beschriebenen Beispiel umfaßt der Kernkörper das
Zugbelastungsteil 1, der sich entlang der zentralen Achse erstreckt, und das
preßgeformte Teil 2, das um das Zugbelastungsteil 1 durch Preßformung
gebildet wird.
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Eine Zugkraft F, die an den Kernkörper angelegt wird, kann durch die
folgende Gleichung (4) dargestellt werden:
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F = Fc + Fp (4)
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darin ist Fc die von dem Zugbelastungsteil 1 stammende Zugkraft,
und Fp ist die von dem preßgeformten Teil 2 stammende Zugkraft.
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Fc und Fp können durch die folgenden Gleichungen (5) dargestellt
werden:
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Fc = nc Ec Sc/nc Ec Sc + ER Sp F
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Fp = ER Sp/nc Ec Sc + ER Sp (5)
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darin ist Ec der Youngmodul des Zugbelastungsteils in Längsrichtung,
Sc ist der Querschnitt eines jeden Elements, die das
Zugbelastungsteil bilden, ER ist der Youngmodul des preßgeformten Teils 2, und
Sp ist der Querschnitt des preßgeformten Teils 2.
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Wird die Zugkraft Fc an das Zugbelastungsteil 1 angelegt, wird das
Drehmoment um die zentrale Achse des Zugbelastungsteils hergestellt;
das heißt, die zentrale Achse des Kernkörpers kann durch die
folgenden Gleichungen (6) ausgedrückt werden:
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M c = nc ac Fc sinR
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tanR = 2πac/Pc (6)
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darin ist ac der Verdrillungsradius des Zugbelastungsteils 1, pc ist
die Drehganghöhe des Teils 1, und nc ist die Anzahl der verdrillten
Elemente von Teil 1.
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Wird die Zugkraft Fp an das preßgeformte Teil 2 angelegt, wird durch
die Rippen 7 ein Drehmoment um die zentrale Achse des Kernkörpers
bereitgestellt. Die Zugkraft, die von einer einzelnen Rippe 7 stammt,
ist:
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FR = nR SR/Sp Fp (7)
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darin ist SR der Querschnitt jeder Rippe. Daher ist die Summe der in
nR Rippen erzeugten Drehmomente:
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M R = nR² aR SR/Sp Fp sinΦ
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tanΦ = 2πaR/PR (8)
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darin ist aR der Abstand zwischen der zentralen Achse des
Kernkörpers und dem Mittelpunkt 8 jeder Rippe.
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Das Drehmoment des ganzen Kernkörpers kann zu Null werden, wenn die
Momente M c und M R in entgegengesetzter Richtung verlaufen und in
der Größe einander gleich sind. Aus den Gleichungen (5), (6) und (8)
sind die Nullbedingungen für das Drehmoment wie folgt:
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PR/Pc = aR/ac tanR/tanΦ
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sinR/sinΦ = nR² aR ER SR/nc² ac Ec Sc (9)
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Ein konkretes Beispiel der Erfindung, nachfolgend mit Kernkörper
Nr. 1 bezeichnet, wurde vorbereitet und mit einer herkömmlichen
Struktur, nachfolgend mit Kernkörper Nr. 2 bezeichnet, verglichen.
In dem Kernkörper Nr. 1 war die Verdrillungsrichtung des
Zugbelastungsteils entgegengesetzt der Spiralrichtung der Spiralrillen.
In dem Kernkörper Nr. 2 war die Verdrillungsrichtung des
Zugbelastungsteils gleichsinnig mit der Spiralrichtung der Spiralrillen.
Die anderen strukturellen Daten der Kernkörper Nr. 1 und Nr. 2 sind
so wie in der folgenden Tabelle aufgezeigt:
TABELLE 1
Kernkörper Nr. 1 Kernkörper Nr. 2 Außendurchmesser Anzahl der Rillen Material des Preßformteils Youngmodul des Preßformteils Rillenabmessung Rillenspiralganghöhe Rillenspiralrichtung Material des Zugbelastungsteils Abmessung des Zugbelastungsteils Youngmodul des Zugbelastungsteils Drehganghöhe des Zugbelastungsteils Verdrillrichtung
des Zugbelastungsteils
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Vier bandförmige fünfadrige optische Fasern wurden in jeder Rille
des Kernkörpers Nr. 1 angebracht und der Kernkörper mit einem
Halteband umwickelt, um eine optische Fasereinheit herzustellen. Eine
andere optische Fasereinheit wurde unter Verwendung von Kernkörper Nr. 2
in der gleichen Weise hergestellt.
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Die Kernkörper Nr. 1 und Nr. 2 hatten einen gleichwertigen
Elastizitätsmodul von 830 kg/mm² und einen Querschnitt von 61.5 mm². Die
bandförmigen optischen Fasern hatten einen gleichwertigen
Elastizitätsmodul von 670 kg/mm² und einen Querschnitt von 0.65 mm².
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Als die bandförmigen optischen Fasern in die Rillen der preßgeformten
Teile eingefügt wurden, betrugen die an die Kernkörper Nr. 1 und Nr. 2
angelegten Zugkräfte jeweils 7 kg, und die an die bandförmigen
optischen Fasern angelegten Zugkräfte betrugen 100 g, so daß die
Restdehnung der bandförmigen optischen Faserbaugruppen in der
Größenordnung von 0.01% lag.
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Die bandförmigen optischen Fasern wurden von den optischen
Fasereinheiten, die, wie beschrieben, unter Verwendung der Kernkörper Nr. 1
und Nr. 2 hergestellt wurden, entfernt. Die Restdehnung der so
entfernten bandförmigen optischen Fasern wurde nach der optischen
Phasenmethode durch Kontrolle ihrer Länge einzeln entsprechend ihrer Lage
in der Schichtung gemessen. Die Ergebnisse der Messungen sind in
Tabelle 2 aufgelistet:
TABELLE 2
Bandposition Kernkörper Nr. 1 Kernkörper Nr. 2
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Tabelle 2 bezeichnet die Bandposition in der Reihenfolge der
Schichtung der bandförmigen optischen Fasern beginnend mit äußersten Lage.
Wie aus Tabelle 2 ersichtlich, lag die Restdehnung der bandförmigen
optischen Fasern der optischen Fasereinheit unter erfindungsgemäßer
Verwendung des Kernkörpers Nr. 1 in der Größe von 0.01%, wogegen sie
bei den bandförmigen optischen Fasern der optischen Fasereinheit, die
unter Verwendung des Kernkörpers Nr. 2 hergestellt wurde, in dem die
Verdrillungsrichtung des Zugbelastungsteils die gleiche ist, wie die
Spiralrichtung der Spiralrillen, im Bereich von 0.02% bis 0.03% lag.
Wie oben beschrieben wurde ist der Kernkörper, der das
Zugbelastungsteil, das durch Verdrillung der das Zugbelastungsteil bildenden
Elemente gebildet wird, und das preßgeformte Teil um das
Zugbelastungsteil mit den Spiralrillen in der äußeren Wandung umfaßt,
erfindungsgemäß so konstruiert, daß die Verdrillungsrichtung des
Zugbelastungsteils entgegengesetzt der Spiralwindungsrichtung der Spiralrillen ist
und die Drehganghöhe des Zugbelastungsteils und die Steigung der
Spiralrippen zwischen den Spiralrillen so gewählt werden, daß das
Drehmoment des Kernkörpers zu Null wird. Daher kann bei der Herstellung
optischer Fasereinheiten die Restdehnung der bandförmigen optischen
Fasern mit einem hohen Grad an Genauigkeit kontrolliert werden.
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Bei der erfindungsgemäßen Herstellung optischer Fasereinheiten wird
die Restdehnung der optischen Fasern genau kontrolliert, so daß ein
kleiner Betrag einer Längungsdehnung, z. B. etwa 0.02%, in den
bandförmigen optischen Fasern verbleibt. Daher kann die erfindungsgemäße
Bereitstellung einer optischen Fasereinheit die folgenden Probleme
lösen: (1) wenn Längungsdehnung in den optischen Fasern eines
optischen Kabels verbleibt, werden die optischen Fasern ermüdet und
verschlechtert; d. h. sie verlieren an mechanischer Stärke, (2) wenn die
Längungsdehnung groß ist, können die optischen Fasern nach einer
langen Benutzungsdauer brechen, und (3) wenn die Kompressionsdehnung
in den optischen Fasern verbleibt, können die
Übertragungseigenschaften schlechter werden. Demnach ist ein optisches Kabel, das eine
erfindungsgemäße optische Fasereinheit verwendet, hochzuverlässig und
behält eine stabile Übertragungseigenschaft über ein lange Zeitdauer.